JPWO2013161041A1 - 回転電機の固定子コイル - Google Patents

Abstract

絶縁信頼性が高く、かつ、低損失化が可能な回転電機の固定子コイルを実現する。導体５に取り付けられた低抵抗シールド１は炭素元素を主成分とし抵抗が小さく誘電率が大きな材料で構成する。低抵抗シールド１の上層には、ＳｉＣを含む放電シールド２で構成し、低抵抗シールド１と放電シールド２との間に２つの層状材料３、４を挟み込む。層状材料３はＣとＡｌ２Ｏ３で構成し層状材料４はＳｉＣとＡｌ２Ｏ３で構成する。各層の誘電率及び導電率の大きさの順序は、低抵抗シールド１＞層状材料３＞層状材料４＞放電シールド２となり、最大電界が小さくなる。隣接する層の構成材料は同一の成分を含み互いの線膨張係数を近似でき、界面での剥離が抑制される。誘電率と導電率とを共に傾斜させることで直流から高周波数の幅広い領域での電界を低減することができる。

Description

本出願は、低抵抗シールドと放電シールドを有する回転電機の固定子コイルに関する。

回転電機においては、インバータの低損失化のため、ダイオードやＭＯＳの材質を、Ｓｉから、より電気的抵抗が小さく誘電率が大きなＳｉＣへの変更が進められている。

ダイオードやＭＯＳの材質をＳｉＣとすると、モータ端の電圧波形が高周波化するため、固定子コイルの放電／抵抗シールド部分での電界が沿面放電電界限界を超える可能性がある。

そこで、特許文献１では、低抵抗シールド上に強誘電体を含む層状部材を配置することで、誘電率を大きくしている。

また、誘電率を傾斜させて電界集中を抑える技術が非特許文献１に記載されている。

特開昭６２−１０４４４９号公報

大久保研究室、"電力機器用固体絶縁物へのNano-Dielectrics-FGM（傾斜機能材料）適用に関する研究"、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.okubo.nuee.nagoya-u.ac.jp/design/fgm/detail_fgm_j.htm＞

しかしながら、特許文献１に記載の技術のように、層状部材に強誘電体を含む場合は、強誘電体が絶縁性に劣るため、強誘電体を含まないものに比較して長期的に絶縁信頼性が低減する可能性がある。

さらには層状部材と放電シールド材と低抵抗シールド材の材料とは互いに線膨張係数が大きく異なるので、これらの互いにの界面にて剥がれやすい可能性があり、絶縁信頼性が低下する可能性がある。

非特許文献１には、誘電率の大きさを傾斜させる技術が記載されているが、誘電率のみの傾斜による絶縁性向上よりさらなる絶縁性の向上化が望まれている。

本発明の目的は、絶縁信頼性が高く、かつ、低損失化が可能な回転電機の固定子コイルを実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

回転電機の固定子コイルにおいて、コイル導体と、コイル導体上に配置される抵抗シールド部材と、抵抗シールド部材の少なくとも一部を覆い、抵抗シールド部材よりも、誘電率及び導電率が小さい層状部材と、層状部材の少なくとも一部を覆い、層状部材よりも、誘電率及び導電率が小さい放電シールド部材とを備える。

絶縁信頼性が高く、かつ、低損失化が可能な回転電機の固定子コイルを実現することができる。

本発明の実施例１の概略構成説明図である。 本発明の実施例を説明するための図である。 本発明の実施例２の概略構成で説明図である。 本発明の実施例２説明するためのグラフである。 本発明の実施例２を説明するための図である。 本発明が適用される回転電機の概略説明図である。

以下、本発明の実施例について、添付図面を参照して説明する。

まず、本発明が適用される回転電機の固定子コイルについて、図６を参照して説明する。

図６において、回転電機１６は、ケーブル１５を介してインバータ１４に接続されている。このインバータ１４により、回転電機１６が駆動される。回転電機１６は、固定子コイル７を有している。

以下、本発明の実施例]においては、固定子コイル７のシールド部８を例として、説明する。

図１は、本発明による回転電機の固定子コイルの実施例１を示す図である。この図１に示した例は、図２に示す固定子コイル７の角部近辺のシールド部８のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

なお、図１、図２、及び以下に示す図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。

従って、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図１において、低抵抗シールド１は、導体５に取り付けられている。この低抵抗シールド１は、Ｃ（炭素）元素を主成分とし、抵抗が小さく誘電率が大きな材料で構成する。例えば、Ｃを主成分として、グラファイトやシリコン等による材料で構成する。

そして、低抵抗シールド１の上層には、ＳｉＣの様な電界緩和材を含む放電シールド２で構成する。低抵抗シールド１と放電シールド２との間には２つの層状材料３、層状材料４を挟み込む。低抵抗シールド１の直上の層状材料３にはＣとＡｌ_２Ｏ_３で構成し（構成比率は５０％、５０％とする）、放電シールド２の直下の層状材料４はＳｉＣとＡｌ_２Ｏ_３で構成する（構成比率は５０％、５０％とする）。各層の厚みは、互いに等しくする。

これにより、各層の誘電率の大きさの順序は、次式（１）となる。

低抵抗シールド１＞層状材料３＞層状材料４＞放電シールド２ ・・・（１）
各層１、３、４、２の誘電率の大きさを上記式（１）の様な順番とすることで、最大電界が小さくなる。特に、導体５の屈曲部等の電界集中部で、電界が抑制されるので、シールド部材の絶縁破壊が抑制される。なお、導体５の下層部は絶縁材６が形成されている。

また、誘電率の大きさをシールド部材１、３、４、２の順に傾斜させることにより、交流によるシールド部材の絶縁破壊を抑止することができる。

さらに、層状部材３の構成材料と低抵抗シールド１の構成材料とは、それぞれにＣ（炭素）を含むので、互いの線膨張係数を近似させることができ、線膨張係数の違いなどによる界面での剥離が抑制される。

さらに、層状部材３の構成材料と層状部材４の構成材料とは、それぞれにＡｌ_２Ｏ_３を含むので、互いの界面での線膨張係数の違いなどによる剥離が抑制される。

さらに、層状部材４と放電シールド材２は、それぞれに同じＳｉＣを含むので、互いの線膨張係数を近似させることができ、線膨張係数の違いなどによる界面での剥離が抑制される。

さらに、シールド部材１、３、４、２の導電率の大きさも、次式（２）に示すように、誘電率と同様に傾斜するので、直流又は低周波での電界を低減することができる。

低抵抗シールド１＞層状材料３＞層状材料４＞放電シールド２ ・・・（２）
つまり、本発明の実施例１においては、シールド部材１、３、４、２における誘電率と導電率とを両方、共に傾斜させることで、直流（低周波）から高周波数の幅広い領域での電界を低減できる。したがって、シールド部の、絶縁信頼性を向上することができる。

また、層状材料３と層状材料４を予めテープ状に形成し、これらを、固定子コイル７の導体５に巻きつける。これにより、製造が容易となる。

なお、層状材料３及び層状材料４を、それぞれＮ個（Ｎは２以上の整数）に層状に分割し、層状材料１〜層状材料２＊Ｎとして、各層状材料３、４内で、誘電率、導電率を傾斜させると、電界低減の効果が高まり、絶縁の信頼性を向上することができる。これは、Ｎが大きい程、電界低減の効果を高めることが可能である。

また、層状材料３と層状材料４を一つの材料Ａｌ_２Ｏ_３としても、誘電率、導電率をシールド部材１、３、４、２に向かうにつれて傾斜することができ、かつ製造コストを低減することができる。

なお、Ａｌ_２Ｏ_３は他の絶縁材や、混合物でも良い。

以上のように、本発明の実施例１によれば、絶縁信頼性が高く、かつ、低損失化が可能な回転電機の固定子コイルを実現することができる。

なお、上記構成とすることにより、熱伝導率の大きさの順序も、上記式（１）と等しくなる。

これによって、低抵抗シールド１で発生した熱を外層に伝導しやすくなるので、低抵抗シールド１での熱集中を低減することができ、電界と熱との観点で絶縁膜の信頼性をさらに向上することができる。

なお、上述した例は、第１の層状部材３が低抵抗部材１の一部を覆い、第２の層状部材４が第１の層状部材３の一部を覆い、放電シールド部材２が第２の層状部材４を覆う構成となっているが、第１の層状部材３が低抵抗部材１の全てを覆い、第２の層状部材４が第１の層状部材３の全てを覆い、放電シールド部材２が第２の層状部材４の全てを覆う構成とすることもできる。

次に、本発明の実施例２について、図３、図４、図５を参照して説明する。

図３は、本発明による回転電機の固定子コイルの実施例２を示す図であり、図２に示す固定子コイル７の角部近辺のシールド部８のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。

図３において、低抵抗シールド１は、Ｃ（炭素）元素を主成分とし、抵抗が小さく誘電率が大きな材料で構成する。実施例１と同様に、例えば、Ｃを主成分として、グラファイトやシリコン等による材料で構成する。

そして、低抵抗シールド１の上層には、ＳｉＣの様な電界緩和材を含む放電シールド２で構成する。低抵抗シールド１と放電シールド２との間に１つの層状材料３を挟み込む。この層状材料３は、その構成成分が、低抵抗シールド成分と、放電シールド成分と、絶縁材料Ａｌ_２Ｏ_３成分とからなり、後述するように位置によって成分比率が変化する。層状部材３は第１部分３−１と第２部分３−２とに分かれ、成分比率の変化方向が互いに異なるものである
図４は、層状材料３の第２部分３−２内の低抵抗シールド成分比率曲線９、放電シールド成分比率曲線１０、絶縁材料Ａｌ_２Ｏ_３成分比率曲線１１を示し、図４の縦軸が成分比率を示し、横軸は、低抵抗シールド１から放電シールド２に向かう位置を示し、図４の左から右に向かうにつれて（図３の左から右に向かうにつれて）、低抵抗シールド１側から放電シールド２側の位置となる。

低抵抗シールド成分比率曲線９は、低抵抗シールド１側から放電シールド２側に向って、成分比率１から連続的に低減し、低抵抗シールド１と放電シールド２との中間位置付近で０となる。

また、放電シールド成分比率曲線１０は、低抵抗シールド１と放電シールド２との中間位置付近では０であり、放電シールド２に接近するにつれて連続的に増加し、放電シールド２と接触面付近で成分比率が１となる。

また、絶縁材料Ａｌ_２Ｏ_３成分比率曲線１１は、低抵抗シールド１と放電シールド２との中間位置付近で１となり、低抵抗シールド1側に向かうにつれてゼロに連続的に変化し、放電シールド４側に向かうにつれてもゼロに連続的に変化する。

層状材料３の第１部分３−１内は、図３の下から上に向かう方向に成分比率が変化する。つまり、図４の横軸の左から右に向かって、低抵抗シールド１から、第１部分３−１の上面に向かう位置とすることにより第１部分３−１内の成分比率の変化は示される。

これにより、誘電率は実施例１に比べ、より連続的に変化するので、交流の電界を低減する効果をさらに向上することができる。

さらに、層状部材３と低抵抗シールド１の界面においては、構成材料を互いにより等しくすることができ、界面における剥離抑制効果も実施例１よりさらに向上することができる。

さらに、層状部材３と放電シールド材４の界面においても、構成材料を互いにより等しくすることができ、界面における剥離抑制効果も実施例１よりさらに向上することができる。

さらに、導電率も連続的に傾斜するので、直流又は低周波での電界が実施例１よりさらに効果を向上することができる。

さらに、誘電率と導電率とを両方を、より連続的に傾斜させることで、直流（低周波）から高周波数と幅広い領域での電界を低減でき、実施例１より、絶縁の信頼性をより向上することができる。

また、図５に示すように、層状材料３の材料は粉体塗装装置１２により、固定子コイル導体５の表面に形成する。このとき、マスキング、粉体吹きつけ、加熱固化、アンマスキングを実施する。なお、粉体塗装の入り口から出口の原料の比率を傾斜させることで、図４に示すような成分比率の連続的な傾斜を容易に形成することができる。

なお、熱伝導率についても、誘電率、導電率と同様な関係とすることも可能である。この場合、、誘電率、導電率、熱伝導率の全てを連続的に変化させて、層状部材３の低抵抗シールド部材１に接する部分より、放電シールド部材２に接する部分の方が、誘電率、導電率、熱伝導率のいずれも小さくなるように構成することが可能である。

次に、本発明の実施例１、２を回転電機に適用した場合の効果を説明する。

図６において、インバータ１４でサージが発生すると、このサージは、ケーブル１５を伝搬して回転電機１６に到達する。この場合、上述した本発明の実施例１、２の構造及び材料により、絶縁性が向上されているので、サージに対する絶縁性も向上され、絶縁信頼性を高めることができる。

なお、インバータ１４には、インバータを低損失化するために、ＳｉＣダイオードが搭載される場合がある。ＳｉＣダイオードを用いたインバータは、Ｓｉダイオードを用いる場合より、スイッチングのオンオフ波形が急峻になる。オンオフ波形を急峻にすることにより、電力損失を低減することができる。

ＳｉＣダイオードをインバータに用いた場合、発生するサージの周波数は、例えば、Ｓｉダイオードを用いた場合は６０Ｈｚ程度であったものが、１０ＭＨｚ程度となり、高周波化する。このため、本発明のような構成とすれば、サージにより発生する電界も大幅に低減することができ、絶縁膜の信頼性を向上することができる。

なお、本発明の固定子コイルは、発電機、鉄道、自動車、産業用電動機等の回転電機に使用可能である。

１・・・低抵抗シールド、 ２・・・放電シールド、 ３、４・・・層状材料、 ５・・・導体、 ６・・・絶縁材、 ７・・・固定子コイル、 ８・・・シールド部、 ９・・・低抵抗シールド成分比率曲線、 １０・・・放電シールド成分比率曲線、 １１・・・絶縁材成分比率曲線、 １２・・・粉体塗装装置、 １４・・・インバータ、 １５・・・ケーブル、 １６・・・回転電機

Claims (18)

1. コイル導体と、
   上記コイル導体上に配置される抵抗シールド部材と、
   上記抵抗シールド部材の少なくとも一部を覆い、上記抵抗シールド部材よりも、誘電率及び導電率が小さい層状部材と、
   上記層状部材の少なくとも一部を覆い、上記層状部材よりも、誘電率及び導電率が小さい放電シールド部材と、
   を備えることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
2. 請求項１に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記層状部材は、上記低抵抗シールド部材より熱伝導率が小さく、上記放電シールド部材は、上記層状部材より熱伝導率が小さいことを特徴とする回転電機の固定子コイル。
3. 請求項１に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記層状部材は、上記抵抗シールド部材よりも、誘電率及び導電率が小さい第１の層状部材と、この第１の層状部材の少なくとも一部を覆い、上記第１の層状部材よりも、誘電率及び導電率が小さい第２の層状部材とを有し、上記放電シールド部材は、上記第２の層状部材の少なくとも一部を覆うことを特徴とする回転電機の固定子コイル。
4. 請求項３に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記第１の層状部材の構成材料は、上記抵抵抗シールド部材の構成材料と絶縁材料とを有し、上記第２の層状部材の構成材料は、上記第１の層状部材を構成する絶縁部材と上記放電シールド部材の構成材料とを有することを特徴とする回転電機の固定子コイル。
5. 請求項４に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記第１の層状部材及び第２の層状部材の構成材料である絶縁材料は、Ａｌ_２Ｏ_３であることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
6. 請求項５に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記低抵抗シールド部材はカーボン材を有し、上記第１の層状部材は、カーボン材とＡｌ_２Ｏ_３を有することを特徴とする回転電機の固定子コイル。
7. 請求項６に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記低抵抗シールド部材はカーボン材を有し、上記第１の層状部材は、カーボン材とＡｌ_２Ｏ_３を有することを特徴とする回転電機の固定子コイル。
8. 請求項７に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記放電シールド部材はＳｉＣを材料として有し、上記第２の層状部材は、ＳｉＣとＡｌ_２Ｏ_３を材料として有することを特徴とする回転電機の固定子コイル。
9. 請求項８に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
   上記第１の層状部材及び第２の層状部材は、絶縁テープ状に構成されていることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
10. 請求項８に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記固定子コイルは、ＳｉＣを含む半導体素子を有するインバータで駆動される回転電機の固定子コイルであることを特徴とする。
11. 請求項１０に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記固定子コイルは、発電機、鉄道、自動車、産業用電動機の固定子コイルであることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
12. 請求項２に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記層状部材は、誘電率、導電率が連続的に変化し、上記低抵抗シールド部材に接する部分より、上記放電シールド部材に接する部分の方が、誘電率、導電率、が小さいことを特徴とする回転電機の固定子コイル。
13. 請求項１２に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記層状部材は、上記低抵抗シールド部材の構成材料と、上記放電シールド部材の構成材料と、絶縁材料とを有し、上記低抵抗シールド部材の構成材料は上記低抵抗シールド部材に接する部分から、上記放電シールド部材に接する部分に向かうにつれて減少し、上記放電シールド部材の構成材料は上記放電シールド部材に接する部分から、上記低抵抗シールド部材に接する部分に向かうにつれて減少し、上記絶縁材料は、上記低抵抗シールド部材に接する部分から、上記放電シールド部材に接する部分に向かうにつれて増加し、上記層状部材の中間部位から上記放電シールド部材に接する部分に向かうにつれて減少することを特徴とする回転電機の固定子コイル。
14. 請求項１３に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記低抵抗シールド部材はカーボンを構成材料とし、上記放電シールド部材はＳｉＣを構成材料とし、上記層状部材は、カーボン及びＳｉＣと、絶縁材料としてＡｌ_２Ｏ_３を構成材料とすることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
15. 請求項１４に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    粉体塗装にて、上記層状部材を構成させることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
16. 請求項１２に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記固定子コイルは、ＳｉＣを含む半導体素子を有するインバータで駆動される回転電機の固定子コイルであることを特徴とする回転電機の固定子コイル。
17. 請求項１２に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記層状部材は、上記低抵抗シールド部材より熱伝導率が小さく、上記放電シールド部材は、上記層状部材より熱伝導率が小さいことを特徴とする回転電機の固定子コイル。
18. 請求項１２に記載の回転電機の固定子コイルにおいて、
    上記固定子コイルは、発電機、鉄道、自動車、産業用電動機の固定子コイルであることを特徴とする回転電機の固定子コイル。

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